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Verfahren und Geräte zur Knallortung von Geschützen od. dgl.
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Bei der Knallortung von Geschützen od. dgl. werden mehrere Aufnahmemikrofone
für den Knall in großem Abstand angeordnet, und man ermittelt den Standort des Geschützes
aus der Zeitdifferenz zwischen den an den einzelnen Mikrofonen eintreffenden Knallen.
Da alle Orte gleicher Zeitdifferenz auf Hyperbeln liegen, kann man nach diesem Verfahren
den Standort des Geschützes als Schnittpunkt wenigstens zweier Hyperbeln ermitteln.
Für die Zeitdifferenzbestimmung hat man hisher die von den einzelnen Mikrofonen
aufgenommenen Knalle mit Hilfe von Oszillographenschleifen auf fotografisches Oszillographenpapier
aufgezeichnet. Die hierbei erforderliche fotografische Entwicklung beeinträchtigt
jedoch die Gebrauchsfähigkeit der Geräte und führt auch dann noch zu Mängeln, wenn
man diese, wie ebenfalls bekannt ist, mit einem selbsttätig arbeitenden Entwicklungszusatz
ausrüstet. Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, daß der praktische Einsatz
der Geräte von einem ordnungsmäßigen Nachschub von lichtempfindlichem Papier und
einwandfreiem Entwickler abhängt, der im Kriegsfalle nicht immer gegeben ist. Um
die fotochemische Behandlung des Aufzeichnungsträgers zu vermeiden, kann man an
Stelle der Oszillographenaufzeichnung den aufgenommenen Knall nach dem magneti scheu
Schallaufzfieichnungsverfahren auf Bänder oder Filme aufzeichnen. Es ist bereits
bekannt, die von den einzelnen Mikrofonen aufgenommenen Knalle auf getrennte Aufzeichnungsspuren
eines breiten magnetischen Aufzeichnungsträgers aufzuzeichnen und die Messung des
Zeitunterschiedes zwischen den von den einzelnen Mikrofonen aufgenommenen
Knallen
durch gegenseitige Verschiebung der Magnetköpfe durchzuführen. Ferner ist es bei
sogenannten Echographen bekannt, zwecks Herabsetzung der Geschwindigkeit des Schreibstiftes
die Impulse und die Echos der Schreibvorrichtung über eine Anordnung zur Zeitdehnung
zuzuführen.
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Für diese Zeitdehnung hat man bereits ein endloses, schnellaufendes
Magnettonband benutzt. Die Erfindung betrifft eine Weiterbildung dieses Knallortungsverfahrens
mit magnetischer Aufzeichnung, und zwar soll insbesondere die Aufgabe gelöst werden,
das Verfahren so zu vervollkommnen, daß auch von verhältnismäßig ungeübtem Bedienungspersonal
einwandfreie Meßergebnisse erzielt werden können und die für das Verfahren benötigten
Geräte eine einfache und für den Einsatz auch in schwierigem Gelände geeignete Ausgestaltung
erhalten.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe in erster Linie durch Auswahl
besonders geeigneter Methoden für die bei dem magnetischen Aufzeichnungsverfahren
anzuwendende Zeitdifferenzbestimmung zwischen den einzeln aufgenommenen Knallen
gelöst. Erfindungsgemäß wird hierfür das Knallortungsverfahren derart ausgeführt,
daß die magnetischen Knallaufzeichnungen bei der Zeitdifferenzbestimmung mehrmals
periodisch, vorzugsweise mit gegenüber der Aufnahmegeschwindigkeit erhöhter Geschwindigkeit
wiederholt werden und zur Zeitdifferenzbestimmung eine der folgenden Methoden angewendet
wird: a) stereofonisches Abhören der magnetischen Knallaufzeichnungen und Einstellen
nach dem Binauraleffekt unter gegenseitiger Verschiebung der Magnetköpfe, um die
Aufzeichnungen miteinander in Deckung zu bringen, b) gegenseitige Kompensation der
magnetischen Knallaufzeichnullgen durch objektive oder subjektive Beobachtung der
Kompensation bei gegenseitiger Verschiebung der Magnetköpfe, c) optische Ausmessung
der magnetischen Knallaufzeichnungen auf einem Elektronenstrahl oszillographen,
beispielsweise einem Zweistrahloszillographen, wobei die einzelnen Knallaufzeichnungen
durch Verschieben der Magnetköpfe in Deckung gebracht werden oder bei bekannter
Kippfrequenz des Oszillographen die Zeitdifferenz durch Ausmessung des Abstandes
der Knallaufzeichnungen auf dem Schirmbild des Elektronenstrahloszillographen bestimmt
wird, d) Phasenmessung zwischen den magnetischen Knallaufzeichnungen, insbesondere
nach der Summen-Differenz-Methode, wobei durch gegenseitige Verschiebung der Magnetköpfe
auf Phasendifferenz Null abgeglichen wird.
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Zweckmäßig wird das erfindungsgemäße Verfahren derart ausgeführt,
daß die Knallaufzeichnungen zunächst auf einen vorzugsweise endlosen magnetischen
Aufzeichnungsträger aufgezeichnet werden und von diesem nach einer bestimmten Laufzeit
im Falle des Interesses zum Zwecke der Auswertung auf einen endlosen magnetischen
Aufzeichnungsträger umgespielt werden, der mit erhöhter Geschwindigkeit abgespielt
werden kaum und dadurch eine periodische Wiederholung der Knallaufzeichnung gestattet,
wobei der Abgleich durch gegenseitige Verschiebung der Magnetköpfe an dem magnetischen
Aufzeichnungsträger vorgenommen wird, auf den umgespielt worden ist.
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Der erste Aufzeichnungsträger ermöglicht dann infolge einer automatischen
Löschung des gespeicherten Schallvorganges nach einer bestimmten Laufzeit eine fortlaufende
Beobachtung des bestimmten Geländeabschnittes, über den die Mikrofone verteilt sind,
während der zweite Aufzeichnungsträger nur in Betrieb genommen zu werden braucht,
wenn Beobachtungswerte, die mittels des ersten Aufzeichnungsträgers festgehalten
wurden, ausgewertet und gemessen werden sollen. Es ist zweckmäßig, die Geschwindigkeit
des magnetischen Aufzeichnungsträgers bei der Auswertung so einzustellen, daß die
Knallaufzeichnungen in den Bereich größerer Ohrempfindlichkeit und größerer Abtastspannung
an den Magnetköpfen transportiert werden.
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Dies ergibt sowohl bei der subjektiven als auch bei der objektiven
Zeitdifferenzmessung eine Erhöhung der Meßempfindlichkeit. Als Aufzeichnungsträger
wird vorteilhaft ein 3s-mm-Nofmalfilm mit magnetischer Aufzeichnungsschicht über
die ganze Filmbreite verwendet, der zur Vermeidung eines Schlupfes perforiert ist.
An dem magnetischen Aufzeichnungsträger werden gegeneinander verschiebbare Magnetköpfe,
insbesondere Ferritköpfe, angeordnet, die so schmal ausgebildet sind, daß etwa acht
dieser Magnetköpfe an einem 35-mm-Normalfilm nebeneinander Platz finden können,
wobei die Verschiebeeinrichtungen für die Magnetköpfe in Form von übersetzten Handkurbeln
od. dgl., zum Beispiel mit einem Feintrieb mit geeichten Anzeigeskalen, eventuell
mit Noniusteilung, versehen sind, die gegebenenfalls eine direkte Ablesung der Zeitdifferenzen
ermöglichen.
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Um die Geräte klein und leicht zu halten, werden die Aufnahme- bzw.
Abtastspannungen zweckmäßig mit Hilfe von Transistorverstärkern verstärkt. Die Aufnahmemikrofone
sollen zweckmäßig Nierencharakteristik besitzen, deren Maxima etwa nach dem aufzunehmenden
Knall ausgerichtet sind.
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Man erzielt hierdurch eine bessere Störbefreiung nach den Geländestreifen,
die nicht von der Schallortung erfaßt werden sollen.
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Die Vorteile des magnetischen Aufzeichnungsverfahrens für die Schallortung
bestehen gegenüber der fotografischen Registrierung oder der ebenfalls denkbaren
Verwendung von Tintenschreibern oder Strahlschreibern für die Knallaufzeichnung
vor allem darin, daß die Geräte immer betriebsbereit sind, weil man die alte Aufzeichnung
löschen kann.
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Außerdem ist die Apparatur wesentlich temperatur-und erschütterungsunempfindlicher
und bietet, wie die moderne Magnettonentwicklung zeigt, die Möglichkeit, daß sie
als kleines und leicht trag-
harzes Gerät ausgeführt werden kann,
welches jederzeit im Gelände mitzuführen ist.
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Die Erfindung und weitere Einzelheiten sind an Hand von Zeichnungen
näher erläutert.
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In Fig. 1 ist ein Beispiel für die Ausbildung eines Gerätes nach
der Erfindung im Prinzip dargestellt. Die magnetische Aufzeichnung bietet die Möglichkeit,
den aufgenommenen Vorgang beliebig oft zu wiederholen, so daß eine genaue Einstellung
eines akustischen Abgleiches in aller Ruhe möglich wird. Man kann zu diesem Zweck
zwei endlose Bänder benutzen. Auf dem einen größeren Band zeichnet man den Knallvorgang
auf und kann ihn nach einer bestimmten Laufzeit auf ein kleineres Testband überspielen,
wenn man den Knall untersuchen will. Mehrere Mikrofone M1 ... 118 sind mit Abstand
über den zu beobachtenden Geländestreifen verteilt. Die Mikrofonspannungen werden
in Verstärkern l'l... ... V8 verstärkt und gelangen zu den Sprechköpfen S1 ... S8
an dem ersten endlosen Beobachtungsband F1, welches als perforierter Film mit magnetischer
Aufzeichnungsschicht ausgebildet ist. Sobald eine Knallaufzeichnung auf dem Beobachtungsband
P1 erfolgt ist, wird diese mit Hilfe der Hörköpfe H1 . . . H8 abgetastet, in den
Verstärkern Mg ... V16 verstärkt und wird von hier mit Hilfe der Sprechköpfe So...
S16 auf ein zweites kleineres endloses Testband F2 gleicher Ausführung überspielt.
An diesem Testband F2, welches nur für die Auswertung und Messung benutzt wird,
sind Hörköpfe Kg... H16 angeordnet, die mit Hilfe eines Feintriebes nach Art eines
Drehbankvorschuhes wie einer Ablesung an einem Komparator eventuell mit Mikroskop
oder Lupe od. dgl. gegeneinander und gegenüber den Sprechköpfen So... S16 verschoben
werden können. Für jeden der Hörköpfe ist ein Verstellantrieb A nach Art einer Handkurbel
vorgesehen, und an diesen Antrieben sind geeichte Anzeigeskalen Sk angeordnet. Um
die Aufzeichnungen wieder löschen zu können, ist am Beobachtungsband F1 ein Löschkopf
L1 und am Testband F2 ein Löschkopf L2 vorgesehen. Zwei Hörköpfe, beispielsweise
Hg und H10, werden über Verstärker V17, V18 auf je eine Muschel K1, K2 eines Doppelkopfhörers
geführt, so daß die Bedienungsperson zunächst zwei getrennte Knallgeräusche vernimmt.
Durch Verschieben der Köpfe mit Hilfe der Verstellantriebe A werden die Knallgeräusche
auf den einzelnen Spuren in Deckung gebracht. Eine Feinpeilung erfolgt in dem Augenblick,
in dem die Geräusche gleichzeitig auf beide Ohren zuzukommen scheinen. Man erhält
dann nämlich einen Richtungseindruck und kann, wenn das Schallbild in der Mitte
des Kopfes erscheint, bekanntlich auf eine Zeitdifferenz von 30 Mikrosekunden genau
abgleichen. Das entspricht einem Schallweg von I cm und bei einer Ohrbasis von 20
cm etwa 30 Peilwinkel, bei 2 m Basis 0,30 und bei 20 m Basis o,o3P Peilwinkel usw.
Das Testband F2 wird so schnell angetrieben, daß sich die Knallvorgänge rasch hintereinander
wiederholen. Nach dem Überspielen auf das Testband F2 wird die Aufzeichnung auf
dem Beobachtungsband F, mit Hilfe des Löschkopfes L1 wieder gelöscht, und die Beobachtung
kann mit Hilfe des ersteren Bandes fortgesetzt werden. Nach Durchführung der Messung
am Testband F2 wird die Aufzeichnung darauf mit Hilfe des Löschkopfes L2 gelöscht,
und dieses steht nunmehr für weitere Überspielungen und Messungen wieder zur Verfügung.
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Die Frequenz des Mündungsknalles eines Geschützes wurde bisher nur
unterhalb 50 Hz ausgewertet. Ein sogenanntes Fliegersieb schnitt die höheren Frequenzen
ab. Das Hauptspektrum lag dabei etwa bei 20 Hz. Diese Frequenz liegt an der unteren
Hörgrenze, wo das Ohr noch sehr unempiindlich ist. Man kann nun erfindungsgemäß
die Geschwindigkeit des Testbandes auf etwa das 2ofache heraufsetzen und gelangt
dann in Gebiete größerer Ohrempfindlichkeit und erhält außerdem größere Spannungen
an den Abtastmagnetköpfen.
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Zwar wird durch diese Frequenztransformation die Genauigkeit der Zeitmessung
kleiner, jedoch ist dies kein Nachteil, da der stereofone Effekt bei höheren Tönen
günstiger wird. Man kann infolge dessen mit einer Mikrofonbasis von etwa 100 m (die
bisher verwendete Basis betrug mehrere Kilometer, und die Werte mußten teilweise
drahtlos übertragen werden) eine genügend genaue Peilung erzielen. Ein Vorteil besteht
dabei darin, daß bei kurzer Basis die von den einzelnen Mikrofonen aufgenommenen
Knalle in ihrer Kurvenform nicht sehr verschieden sind. Die Ablaufgeschwindigkeit
des Testbandes F2. wird zweckmäßig nach diesen Bedingungen ausgewählt.
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Obwohl, wie sich aus den Erfahrungen an den Fliegerhorchgeräten früher
gezeigt hat, an sich stets Bedienungspersonal zur Verfügung gestellt werden kann,
welches mit Hilfe des Binauraleffektes einen subjektiven Abgleich mit hinreichender
Genauigkeit durchführen kann, ist es bei dieser Methode zu berücksichtigen, daß
die Eignung für den Binauralabgleich nicht bei allen Menschen gleich gut ausgeprägt
ist. Man kann infolgedessen für die Zeitdifferenzbestimmung auch die Kompensationsmethode
mit Nullabgleich anwenden. Ein Ausführungsbeispiel hierfür zeigt Fig. 2. Die Abtastmagnetköpfe
zweier Spuren, beispielsweise H9, H10, werden hier vorzugsweise am Ausgang der Verstärker
V17, V18 gegeneinander geschaltet und mit einem Kopfhörer K3 verbunden, der einen
subjektiven Kompensationsabgleich beim Verschieben der Magnetköpfe mit Hilfe der
Verschiebeantriebe A ermöglicht. Es wird dabei auf Lautstärkeminimum im Kopfhörer
abgeglichen.
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Man kann den Kompensationszeitpunkt auch objektiv mit Hilfe eines
Anzeigeinstrumentes I1 bestimmen, das als Nullinstrument benutzt wird. Ein Elektronenstrahloszillograph
ist an dieser Stelle ebenfalls geeignet.
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Ferner kann man auch ohne Verschieben der Köpfe auf einem Zweistrahlelektronenoszillographen
die Entfernung von Knalleinsatzpunkt zu Knalleinsatzpunkt abmessen. Eine entsprechende
Zweistrahloszillographenröhre R ist in Fig. 3 ge-
zeigt, auf deren
Schirm die gegeneinander verschobenen Knalldiagramme zweier Aufzeichnungsspuren
zu sehen sind. Aus dem Abstand der beiden Knalldiagramme kann man die Zeitdifferenz
bestimmen. Mit einem Einstrahloszillographen läßt sich eine Zeitdifferenzbestimmung
in ähnlicher Weise durchführen. Auch kann durch Einblenden von Zeitmarken gemessen
werden. Durch die Möglichkeit der stetigen Wiederholung des Knall es durch das endlose
Magnetband und eine etwas nachleuchtende Elektronenstrahlröhre kann man auch durch
Verschieben der Köpfe beide Kurven auf dem Schirm der Oszillographenröhre R in Deckung
bringen.
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Eine weitere Möglichkeit der subjektiven Bestimmung der Zeitdifferenz
bietet ein elektrischer Phasenmesser. Eine entsprechende Schaltung ist in Fig. 4
gezeigt. Zur Phasenmessung kann eine Schaltung oder ein Instrument verwendet werden,
welches die Summe und die Differenz zweier Wechselspannungen bildet und zur Anzeige
bringt.
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Man kann hierfür eine sogenannte Summendifferenzschaltung SD benutzen,
die an die Ausgänge der mit den Hörköpfen H9, Hlo verbundenen Verstärker Vt7, V18
angeschlossen ist. Die Summendifferenzschaltung SD ist mit einem Anzeigeinstrument
I2 verbunden, und man kann mit Hilfe dieses Instrumentes beim Verschieben der Magnetköpfe
auf Phasendifferenz Null abgleichen, wobei der Zeiger des Phasenmessers in der Mitte
steht.
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An sich wirkt eine solche Phasenanzeige nur bei Dauertönen, jedoch
kann man die Knalle nach Fourier in ein Spektrum zerlegen, eventuell über einen
Resonator oder einen Siebkreis mit bestimmter Einschwingdauer geben und bei genügend
schneller Wiederholung der Knalle einen eindeutigen Ausschlag auf dem Instrument
erzielen.
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Als Aufnahmemikrofone können neben anderen Mikrofonen besonders zweckmäßig
dynamische Systeme verwendet werden. Man kann auch bekannte Lautsprechersysteme
benutzen, die gegebenenfalls mit Trichtern versehen werden können.
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Die Mikrofon- bzw. Lautsprechermembranen erhalten zur Vermeidung von
zerstörerischen Knallwirkungen eine Abstützfläche oder anders ausgebildete Abstützorgane,
die eine zu große Membranauslenkung durch den Geschoßknall verhindern.
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Wenn Mikrofone mit nierenförmigen oder anderen einseitigen Diagrammen
benutzt werden, kann man sie auf den zu beobachtenden Geländestreifen ausrichten
und damit eine Abschirmung gegenüber dem rückwärtigen Geländestreifen erzielen.
Die Mikrofone wie die binaural benutzten Telefone sollen im Übertragungsgebiet keine
Resonanzen aufweisen, da mit Resonanzen stets Phasendrehungen verbunden sind. Der
Einsatz von Transistorverstärkern ermöglicht die Schaffung kleiner und leichter
Geräte und die Vermeidung schwerer Stromversorgungseinrichtungen. Ein perforiertes
Normalfilmband mit Magnetpulverschicht ist besonders empfehlenswert, da etwa bis
acht Aufzeichnungen nebeneinander auf dieses Band geschrieben werden können und
die Technik der Laufwerke für dieses Filmband weit fortgeschritten ist. Normale
Teile von Filmgeräten, wie Zackenrollen, Schwungmassenrollen od. dgl., können in
den entsprechenden Geräten benutzt werden. Die Laufgeschwindigkeit muß sehr konstant
sein, weil die Zeitmessung in die Genauigkeit des Verfahrens stark eingeht.
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Da in der Tonfilmtechnik ähnliche Anforderungen an die Konstanz der
Bandlaufgeschwindigkeit bestehen, kann man sich die Erfahrungen dieses Sachgebietes
zunutze machen.
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Die Auswertung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten
Meßwerte kann entsprechend wie beim früheren Stand der Technik mit Hilfe eines Hyperbelplanes
erfolgen. Man kann aber auch ähnlich wie bei den elektrischen Kompensatoren bei
der Schallpeilung auf Schiffen direkt den Peilwinkel beim Abgleichen einstellen.
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Es ist hierfür bereits bekannt, die Magnetköpfe mit Hilfe eines Kurbeltriebes
am Magnetband zu verschieben. Nähere Untersuchungen haben aber ergeben, daß die
Verschiebung proportional dem Sinus des Peilwinkels erfolgen muß. Eine Kurbelwelle
bewirkt jedoch nur bei unendlich langer Pleuelstange eine Verschiebung, die dem
Sinus streng proportional ist, und der Kurbelwellenantrieb führt deshalb nicht zu
dem gewünschten Erfolg. Die bekannte Lösung ist also ungenau und gilt bei mehr als
zwei Schallempfängern nicht für den Binauraleffekt, sondern nur für Maximumbestimmung.
Erfindungsgemäß werden daher zweckmäßig Verschiebeantriebe für die Magnetköpfe verwendet,
die exakt dem Sinus proportional arbeiten. Es eignen sich hierfür beispielsweise
zwei Zahnräder, von denen das eine im anderen läuft und halb so großen Durchmesser
hat, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Dieses einer Hypozykloidensteuerung entsprechende
Prinzip wird beispielsweise bei der König-Bauerschen Schnellpresse verwendet. Wenn
R der große und r der kleine Halbmesser ist, gilt bekanntlich für die Gleichung
der Hypozykloide (Hütte I, 28. Auflage, S. 150) R # r x = (R # r) cos # # r cos
# r und R # r x = (R # r) sin # - r sin #. r Das gibt für R = 2r : x = o und y =
2 r cos Gemäß Fig. 6 ist auch eine Nockenscheibe mit entsprechend ausgeschliffenem
Profil benutzbar, die einen Stift mit Feder verschiebt, der mit dem Magnetkopf H
verbunden ist, oder mit Hilfe einer sinusförmigen Schablone.
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Bei zweifach binauraler Peilung muß man stets nur je zwei Mikrofone
miteinander abgleichen und den Peilwinkel feststellen. Man kann die Winkel vom Magnetband
über Bowdenzüge Bd od. dgl. auf die Ortungspunkte einer Landkarte übertragen und
zur Anzeige sich kreuzende Lineale Z benutzen, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist.
Die sich kreuzenden Lineale Z ergeben dann selbsttätig in ihrem
Schnittpunkt
den Aufstellungsort des beobachteten Geschützes.